Zustandsüberwachung am Roboter: Vibrationen richtig nutzen

Ein Roboter läuft „wie immer“ – bis Lagergeräusche, schlechtere Bahnqualität oder ein unerwarteter Stopp auftreten. In vielen Anlagen entstehen die ersten Hinweise deutlich früher: kleine Änderungen im Schwingungsverhalten, leicht erhöhte Reibung oder wiederkehrende Stoßereignisse beim Einfahren in Positionen. Wer diese Signale strukturiert erfasst, kann Instandhaltung gezielter planen und die Ursachen schneller eingrenzen.

Im industriellen Umfeld ist dafür kein Speziallabor nötig. Mit robusten Sensoren, klaren Messpunkten und einer nachvollziehbaren Auswerte-Logik lässt sich eine praxistaugliche Zustandsüberwachung aufbauen, die an realen Failure-Modes (z.B. Lagerschaden, Unwucht, Lockerung, Zahnriemen-/Getriebeprobleme) orientiert ist.

Welche Robotik-Komponenten zeigen Vibrationen zuerst?

Typische Schwingungsquellen im Zellenalltag

Schwingungen entstehen nicht nur im Roboterarm. In der Praxis sind häufig mehrere Quellen überlagert:

• Getriebe und Lager in den Achsen (typisch: periodische Anteile, Zunahme von Breitbandrauschen, Stoßimpulse).
• Externe Achsen (Linearachsen, Drehachsen), oft mit klaren Resonanzen durch Trägerkonstruktion.
• End-of-Arm-Tooling: Greifer, Schrauber, Dosierer; hier treten häufig stoßartige Ereignisse und drehzahlabhängige Signaturen auf.
• Peripherie: Fördertechnik, Spannvorrichtungen, Prozesswerkzeuge; diese koppeln mechanisch in Roboterbasis oder Werkstück ein.

Wichtig für die Diagnose: Messdaten sollten so aufgenommen werden, dass bekannte Betriebszustände reproduzierbar sind. Ein Roboter, der mal leer und mal mit schwerem Werkstück fährt, produziert unterschiedliche Schwingbilder – ohne dass ein Schaden vorliegt.

Woran sich normale von auffälligen Mustern unterscheiden

Für den Start genügt eine robuste Einteilung in „Baseline“ und „Abweichung“. Die Baseline entsteht aus wiederholten Zyklen unter definierten Bedingungen (gleiches Programm, gleiche Lastklasse, gleiche Geschwindigkeit). Abweichungen sind dann z.B.:

• stetig steigende Schwingungsenergie in einem Frequenzband,
• zunehmende Impulsanteile (Stoßereignisse),
• neue dominante Linien im Spektrum, die vorher nicht vorhanden waren,
• stärkere Amplituden an einzelnen Programmpunkten (z.B. nur bei Achse-5-Näherung an eine bestimmte Pose).

Diese Differenzierung ist oft hilfreicher als der Versuch, sofort eine eindeutige Schadensart zu „klassifizieren“.

Sensorik auswählen: Beschleunigung, Montage, Signalqualität

Beschleunigungssensoren in der Praxis

Für Vibrationsmessungen werden meist Beschleunigungssensoren eingesetzt. Im industriellen Umfeld sind robuste, schraubmontierbare Bauformen verbreitet. Entscheidend ist weniger „High-End“, sondern verlässliche Wiederholbarkeit: gleicher Montagepunkt, gleiche Ausrichtung, gleiche Kabelführung, gleiche Abtastrate.

Ein häufiger Ansatz ist ein Sensor an der Roboterbasis (für Struktur und externe Achsen) plus ein Sensor nahe am Werkzeugflansch (für Tooling/Prozess). Damit lassen sich Störungen besser zuordnen: Taucht ein Peak nur am Flansch auf, spricht das eher für End-of-Arm-Tooling oder Kontaktprozesse als für die Basisstruktur.

Montage: Der Messpunkt ist wichtiger als das Datenblatt

Schwingungen werden mechanisch übertragen. Eine schlechte Befestigung wirkt wie ein Filter und verfälscht die Messung. Für stabile Messungen gilt:

• Sensor möglichst direkt auf steifer Struktur montieren (nicht auf dünnen Abdeckungen).
• Schraubmontage bevorzugen; Klebemontage nur, wenn sie prozesssicher und reproduzierbar ist.
• Kabel entlasten und so führen, dass keine Reibkontakte oder „Klapperstellen“ entstehen.
• Messrichtung dokumentieren (Achsenmarkierung), sonst sind Vergleichsmessungen schwer interpretierbar.

Wenn Messpunkte am Arm nicht zulässig oder praktisch schwierig sind (z.B. Kabelschlepp, Schutzabdeckung), kann ein Sensor an der Basis trotzdem wertvoll sein – vor allem als Frühindikator für Strukturveränderungen oder externe Achsen.

Datenerfassung: Abtastrate, Trigger und Zeitbezug zum Roboterprogramm

Warum Abtastrate und Synchronisierung entscheidend sind

Vibrationen sind schnell. Wer zu langsam abtastet, sieht nur „Rauschen“ oder verpasst relevante Frequenzanteile. Für eine belastbare Analyse sollte die Abtastrate zur erwarteten Bandbreite passen. In vielen Fällen ist es hilfreicher, eine moderate Bandbreite sauber zu erfassen, statt „alles irgendwie“ mitzuschneiden.

Ebenso wichtig ist der Zeitbezug zum Prozess: Die gleiche Bewegung liefert nur dann vergleichbare Daten, wenn Startpunkt und Betriebszustand identisch sind. Hier hilft ein klarer Trigger (z.B. ein digitales Signal am Zyklusstart) oder eine Verknüpfung über Prozesssignale.

Signale aus der Steuerung sinnvoll koppeln

Für die Zuordnung von Messereignissen sind Zusatzsignale wertvoll: Programmabschnitt, Achsposition (oder zumindest eine Zustandskennung), Prozessfreigaben, Greiferzustand. Die Anbindung kann über klassische I/Os oder Feldbus erfolgen; wichtig ist ein definierter Zeitstempel bzw. eine stabile Reihenfolge. Praxisnah ist der Ansatz, den Vibrationslogger per Trigger vom Roboter zu starten und parallel einfache Zustandsbits mitzuschreiben.

Für das Verständnis typischer Kommunikationswege kann die Einordnung aus Roboterschnittstellen verstehen – Digital I/O, Feldbus, OPC UA helfen, um I/O-Trigger und Datenaustausch sauber zu planen.

Auswertung: Vom Rohsignal zu belastbaren Alarmen

Zeitsignal, Kennwerte und Spektrum kombinieren

Eine praxistaugliche Auswertung kann in Stufen aufgebaut werden:

• Zeitsignal prüfen: treten Stoßereignisse auf, gibt es „Clipping“, ist das Signal sauber?
• Kennwerte pro Zyklus: RMS (Energie), Peak, Crest-Faktor (Impulsivität) und ggf. Bandenergie in definierten Frequenzfenstern.
• Spektrale Betrachtung (FFT) zur Identifikation neuer Linien oder Resonanzen.

Der Vorteil dieser Kombination: Kennwerte sind schnell und robust, das Spektrum liefert die technische Erklärung, wenn ein Kennwert kippt.

Fehlalarme reduzieren: Last, Geschwindigkeit, Temperatur berücksichtigen

Vibrationen hängen stark von Betriebsparametern ab. Für stabile Alarme müssen Messungen vergleichbar sein. Bewährt hat sich:

• Messfenster nur in definierten Bewegungsabschnitten (z.B. „Leerfahrt zwischen A und B“).
• Trennung nach Lastklassen (leer/mit Werkstück/mit Sondertool).
• Grenzwerte nicht absolut, sondern relativ zur Baseline (z.B. prozentuale Abweichung).

Wenn ein Roboter häufig umprogrammiert wird, sollte die Baseline nicht „für immer“ gelten. Änderungen am Prozess (neuer Greifer, andere Geschwindigkeit, andere Bahnführung) erfordern eine neue Referenz.

Konkrete Umsetzung in der Zelle: Schrittfolge, die in der Praxis trägt

Vorgehen vom Messpunkt bis zum Alarm

• Messpunkte festlegen: Basis (Struktur) und/oder nahe Flansch (Tooling) mit dokumentierter Ausrichtung.
• Reproduzierbaren Referenzzyklus definieren (gleiches Programmsegment, gleiche Last, gleiche Speed).
• Trigger aus der Steuerung einrichten (Zyklusstart oder Abschnittsstart) und im Logger mitschreiben.
• Baseline erfassen: mehrere Zyklen, Ausreißer entfernen (z.B. durch Bedienereingriff).
• Kennwerte wählen: RMS + Peak und ein bis zwei Frequenzbänder, die im Spektrum stabil sind.
• Alarmregeln ableiten: relative Schwellen, Haltezeit (z.B. über mehrere Zyklen), klare Rücksetzung.
• Alarmreaktion definieren: Meldung, reduzierte Geschwindigkeit, Inspektionsauftrag, keine sofortige Notabschaltung ohne Sicherheitskonzept.

Technisch wichtig: Alarmreaktionen dürfen keine Sicherheitsfunktion „imitieren“. Sicherheitsrelevante Stopps und reduzierte Geschwindigkeiten müssen über geeignete Sicherheitsfunktionen umgesetzt werden. Für das Verständnis gängiger Roboter-Sicherheitsfunktionen bietet Sicherheitsfunktionen im Roboter – STO, SS1, SLS praktisch eine saubere Einordnung.

Typische Befunde richtig interpretieren

Lockerung, Unwucht, Lagerschaden: was Messbilder oft zeigen

Einige Muster treten in der Praxis wiederholt auf:

• Lockerungen an Tooling oder Anbauten: häufig steigende Peaks und Stoßanteile, besonders bei Richtungswechseln.
• Unwucht rotierender Werkzeuge: drehzahlabhängige Linien, die mit der Drehzahl wandern.
• Lagerprobleme: Zunahme von Breitbandanteilen und Impulsen; bei fortgeschrittenem Zustand deutlich höhere Peaks.

Diese Hinweise ersetzen keine Ursachenanalyse. Sie helfen aber, die Inspektion zu fokussieren: Befestigung prüfen, Prozesswerkzeug separat testen, Achse im Service-Modus mit definiertem Bewegungsprofil fahren.

Wenn die Bahnqualität leidet: Vibrationen und Bewegungsprofil zusammen denken

Manche Probleme entstehen nicht durch Defekte, sondern durch ungünstige Bewegungsparameter: hohe Beschleunigungen, harte Übergänge oder ungünstige Bahnverläufe können Resonanzen anregen. Dann ist die beste Maßnahme oft nicht „Teile tauschen“, sondern die Bewegung ruckärmer auszulegen oder Stützpunkte anders zu setzen. Für den technischen Hintergrund kann Roboterbahnplanung – Trajektorien ruckarm und stabil fahren unterstützen.

Integration in Wartung und Betrieb: Wer macht was, wann?

Rollen, Dokumentation und kleine Routinen

Damit Vibrationsdaten im Alltag genutzt werden, braucht es klare Zuständigkeiten:

• Produktion: Meldung bewerten (Prozessabweichung oder echter Trend?), einfache Sichtprüfung (Schrauben, Kabel, Pneumatik).
• Instandhaltung: Inspektionsplan pro Alarmtyp (z.B. Tooling demontieren, Lager prüfen, Schmierung/Spiel beurteilen).
• Automatisierung/Engineering: Baselines pflegen, Trigger und Messfenster an Programmänderungen anpassen.

Hilfreich ist ein kurzes Protokoll pro Alarm: Datum, Programmversion, Lastzustand, betroffene Achsstellungen, durchgeführte Maßnahmen. So entsteht über Wochen ein belastbares Bild, ob sich ein Trend wirklich aufbaut oder ob einzelne Ereignisse (z.B. Kollisionen, Werkstückklemmen) dominieren.

Grenzen des Ansatzes: was Vibrationen nicht leisten

Vibrationsmessung ist kein Allheilmittel. Einige Fehlerbilder zeigen sich eher in anderen Signalen: Motorströme, Temperatur, Positionsabweichungen oder Prozesskräfte. In der Robotik ist daher eine Kombination sinnvoll: Vibrationen als schneller Indikator, plus gezielte Zusatzmessungen, wenn ein Trend auffällig wird. Für Anwendungen, die Kräfte direkt am Werkzeug nutzen, ist oft ein separater Sensoransatz zielführend, siehe Kraft-Momenten-Sensoren am Roboter – Montage & Nutzen.

Vergleich: Messpunkte und Nutzen in typischen Szenarien

In vielen Anlagen ist die Kombination aus Basis + einem zweiten Punkt am Prozess am effektivsten, weil sie eine schnelle Eingrenzung erlaubt, ohne die Installation unnötig zu verkomplizieren.